EP0160129A1 - Vorrichtung zur Erfassung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen - Google Patents

Vorrichtung zur Erfassung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen Download PDF

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EP0160129A1
EP0160129A1 EP84116217A EP84116217A EP0160129A1 EP 0160129 A1 EP0160129 A1 EP 0160129A1 EP 84116217 A EP84116217 A EP 84116217A EP 84116217 A EP84116217 A EP 84116217A EP 0160129 A1 EP0160129 A1 EP 0160129A1
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EP
European Patent Office
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holding device
movement
extremity
torque
parameters
Prior art date
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EP84116217A
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English (en)
French (fr)
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EP0160129B1 (de
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Emil Dipl. Ing. Ott
Herbert Prof. Dr.-Ing. König
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GGT Medizin-Electronic-Systeme GmbH
Original Assignee
GGT Medizin-Electronic-Systeme GmbH
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Publication date
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Publication of EP0160129A1 publication Critical patent/EP0160129A1/de
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4528—Joints
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/70—Means for positioning the patient in relation to the detecting, measuring or recording means
    • A61B5/702—Posture restraints
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1238—Driving means with hydraulic or pneumatic drive
    • A61H2201/1246—Driving means with hydraulic or pneumatic drive by piston-cylinder systems

Definitions

  • the invention relates to a method for determining and improving the functionality of the musculoskeletal system of humans, in particular its extremities, and a device for carrying out this method.
  • Electromyography has created an examination method that indirectly allows conclusions to be drawn about the functionality or mobility of limbs, but it does not allow any information about the degree of the defect in certain types of functional disorders of limbs.
  • the object is achieved according to the invention in that when the method is carried out, the extremity is first arranged in an articulated holding device designed according to its anatomy, which subsequently under the influence of a torque acting on the holding device from the outside either in the direction or against the direction of the Musculoskeletal system exercised rotation moments is twisted.
  • the advantage of the method is that the torque acting on the holding device with the human extremity arranged therein can be variably adjusted with respect to its size for diagnostic and therapeutic purposes and can thus actively twist the extremity so that it rotates all the desired rotation or Degrees of movement can pass through, which another known method (DE-OS 29 12 981) is not capable of, since there the extremities to be examined only bend fixed leaf spring devices to determine certain movement quantities of the extremity and the degree of bending is measured and displayed accordingly.
  • the force and torque parameters exerted by the extremity on the holding device and the degree of rotation are recorded and made visible, so that the operator monitoring the method can immediately get an overview of the current functionality of the examined extremity.
  • the torque acting on the holding device from the outside can be set such that the angle of rotation of the holding device receiving the extremity can be changed by the extremity while the limb muscles are relaxed.
  • This measure allows both a "passive” measurement if the joint rotation angle is shortened or lengthened when the muscles are relaxed in one of the subjects to be examined, as well as an "active” measurement in which the subject to be examined produces a torque due to voluntary muscle innervation either in the direction of rotation of the holding device (concentric measurement), or in the opposite direction (eccentric measurement).
  • the size of the torque acting on the holding device from the outside must be adjustable.
  • the angular speed at which the holding device is rotated about its joint is therefore preferably also adjustable.
  • the angular velocity is set to be constant at any amount and in any direction, since the movement of the extremity does not require a constant torque during diagnosis, but rather a constant speed is to be imposed on the extremity.
  • the advantage is that the speed of the extremity cannot change even when the person being examined is exerting maximum force.
  • the method carried out in this way has the advantage that no negative and subjective influence is exerted on the person to be examined during the course of the method, since the speed remains constant, regardless of whether the latter is holding its extremity against the direction of movement of the holding device or whether it is holding its extremity relaxed.
  • the angular velocity is not constant when the holder moves through a movement with the extremity accommodated therein.
  • the angular velocity of the rotary movement of the holding device can also be selected to be constant or non-constant.
  • the holding device can advantageously be moved by the operator in a desired movement cycle before the rotation with the extremity arranged therein, the movement parameters of which are detected when the movement cycle is run through, so that the holding device can independently carry out a movement corresponding to this movement subsequently on the basis of these movement parameters detected .
  • the movement cycle carried out by the operator is therefore analyzed beforehand in relation to its parameters such as the acceleration and the speed before the subsequent independent movement. The procedure is then carried out independently and as often as desired for the purpose of therapy, but not exclusively for this.
  • the device according to the invention for solving the problem has a holding device for receiving an extremity, which can be rotated by a drive motor about an axis corresponding to the joint axis of an extremity received in the holding device.
  • the holding device has basically the same structure even when taking up extremities as different as arms and legs, which has considerable advantages because of the low cost of manufacture, spare parts storage and maintenance.
  • the control of the drive of the device when used, for example for moving the leg of a person and for moving an arm is basically the same, so that no additional constructive measures are necessary here either.
  • the drive motor is preferably designed in the form of a stepper motor which is connected to the axis of the holding device via a gear.
  • the provision of a stepper motor as the drive motor of the device has the advantage that, in the event of a failure of the electronic control devices, the drive motor cannot start up, as could be done, for example, in the case of a control in connection with a DC motor, with the resulting disadvantageous consequences for the Examining person and the device itself. If the stepper motor is overloaded, it simply stops.
  • a coupling device is arranged between the gearbox and the axis of the holding device, which interrupts the drive of the holding device by the stepper motor, namely once by a control device or a computer, if, for example, a maximum torque entered by an operator is exceeded, and if by the Operator or the person to be examined is interrupted, for example in a dangerous situation, and when the clutch disengages mechanically at high load, for example at high a certain predetermined torque of the clutch due to their design.
  • the axis of the drive motor can be connected directly to the axis of the holding device with or without a gear
  • the axis of the holding device is connected to the drive axis via a gearwheel arrangement, the gearwheels themselves preferably being connected to one another via a toothed belt are.
  • the drive axis with a measuring angle! as well as a device for recording the torque.
  • the separate measuring angle recording device allows the detection of even the smallest angle changes, for example up to an angular resolution of 2 tenths of a degree and below.
  • the device for recording the torque and its representation as a function of the angle of rotation allows a quick evaluation of the state of the person to be examined and also serves to record the torque for separate theoretical considerations, for example if the muscle tension work or performance is to be calculated by integration.
  • the device preferably comprises a computer connected to it, which controls the movement of the holding device via the drive motor as a function of programmable movement and torque parameters.
  • the computer that drives the electrical device and the evaluation of the measured variables as a function of other parameters and the task of the data prepared accordingly for the operator can take the form of a microprocessor or any other computer.
  • the control can also be carried out by larger process computers, which in turn can control and monitor several of these units simultaneously.
  • the device preferably detects the forces caused by itself during the movement of the holding device about its axis due to friction, gravity and inertia and subsequently minimizes the actual movement parameters of an extremity typical of the movement of the holding device .
  • These parameters are preferably recorded prior to the examination of a person or before therapy is carried out on the person by recording the parameters with an empty holding device during a first calibration run.
  • the determined calibration parameters are used to correct the measurement values subsequently determined in a diagnosis, so that the actual movement parameters are available for assessment and for further data processing.
  • the movement parameters occurring in the device such as the torque of the holding device as a function of its angle of rotation, the time-dependent angle of rotation as a function of an angular momentum, as well as the torsion work and power, are determined and recorded with recording means, so that the operator immediately an overview of the therapeutic effectiveness of the measure of movement took.
  • the movement parameters occurring in the device such as the torque of the holding device as a function of its angle of rotation, the time-dependent angle of rotation as a function of an angular momentum, as well as the torsion work and power
  • the operator can also get information very quickly. to determine whether drug treatment of the treated person has had a visible impact on the mobility of the limb.
  • the movement parameters of the holding device with the extremity arranged therein are preferably determined and recorded separately for each direction of rotation, so that the operator is informed even more quickly and in detail about the mobility of the extremity to be examined.
  • a coordinate recorder is particularly suitable as a recording medium, but also a plotter or the like.
  • the determined movement parameters are displayed in the form of their exact values by display means, for example in the form of movement profiles on a screen and / or on separate digital display devices.
  • the mechanical part of the device 10 essentially consists of a holding device 12 which serves to hold an extremity 13.
  • the holding device 12 has a suitably designed axis 14 about which it can be pivoted.
  • the holding device 12 comprises two webs 120 which are arranged essentially parallel to one another and which are connected to one another on one side via a U-shaped transverse web 121.
  • the axis 14 of the holding device 12 passes through the legs of the U-shaped transverse web 121.
  • the free ends of the webs 120 have slots 122, in which a handle 123 is slidably arranged and can be locked by locking means 124.
  • the holding device 12 is closed at its free end essentially parallel to its axis 14 by a closing plate 125.
  • a device 126 for holding the extremity 13 in place is arranged between the crosspiece 121 and the end of the slots 122 which faces the axis 14.
  • the device 126 is designed in accordance with the size and type of the extremity 13 to be accommodated in it, for example in the form of an arm or one leg.
  • Bearing devices 127 on both sides of the pivotable cross strut of the holding device 12 are suitably fastened on a base, for example in the form of a frame 11.
  • a measuring angle recording device 22 in the form of an angle decoder is likewise suitably arranged on the drive axis 20 and supplies electrical pulses which are detected and evaluated by the electronic control system described below.
  • the two-channel pulses (2-channel forward-backward detection + 1 index pulse) are counted up and down to each other depending on the phase position, so that an absolute counter reading exists in a computer 24 described later.
  • the angle decoder consists of a "500-hole - Disk ", whereby a quadruple evaluation can distinguish 2000 positions per revolution, which results in a resolution of 0.18 °.
  • a device 23 for absorbing the torque is arranged between the gear wheel 19 and the clutch device 17.
  • the device 23 is in the form of a strain gauge educated.
  • the drive axis 20 is rotated when the holding device 12 is driven, the device 23 is rotated relative to the drive axis 20 of the drive motor 15 with a torque directed against the rotation of the drive motor, in which a torque transducer, which is designed here in the form of a bending beam transducer, is part of the Device 23 is bent under the influence of the force exerted on it by the counter-torque.
  • the bending is converted into a change in resistance by the strain gauges and this in turn in a bridge circuit into a change in tension, the force exerted by the counter-torque being directly proportional to the change in tension.
  • the device 10 comprises a plurality of devices which serve to control the holding device 12, cf. 4.
  • the device 10 has a computer 24 which can be designed both in the form of a microprocessor which controls only this device and in the form of a commercially available process computer.
  • the computer 24 is connected to the drive motor via control electronics 27.
  • the coupling device 17, which can likewise be deactivated from the outside by the operator or the person to be examined, which is symbolically represented by line 170 and will be described below.
  • the previously described device 23 for recording the torque is connected to the computer 24 via an amplifier 231, a low-pass filter 232, an amplifier 233 and an analog-digital converter 234.
  • the signal coming from the device 23 is amplified in the amplifier 231 and smoothed in the downstream low-pass filter 232.
  • the corner frequency of the low-pass filter 232 is directly proportional to the speed of the drive motor 15. This eliminates higher-frequency components that do not provide any information about the desired measurement of the movement parameters.
  • the frequency of these disturbances caused by mechanical Resonances and vibrations of the device 10 or possibly of the entire frame 11 are speed-dependent, ie by linking the corner frequency of the low-pass filter 232 to the rotational speed of the drive motor 15, the error-free measured value recordings in the correct frequency range are automatically achieved.
  • the signal is then buffered by the amplifier 233 for buffering the analog-digital converter 234 following this.
  • the detection or measurement range of the device 23 for receiving the torque is 120 Nm in the present case t. This measuring range is digitized by the 12-bit analog-digital converter 234 described in the present case so that the smallest resolution is 0.06 Nm.
  • the previously mentioned measuring angle recording device 22 which also supplied digital signals, is connected to the computer 24.
  • This angle decoder 22 actually only serves to control the position of the extremity.
  • the position of the extremity can be measured with the drive disengaged (e.g. necessary when recording the angular position for therapy movement).
  • the control electronics device 27 converts an incoming pulse sequence into the necessary current states of the individual 4 phases of the stepping motor 15. These individual states are assigned to a ring counter, which advances by one position for each pulse (depending on the input forward / backward). The current of a single phase is generated by a chopped bipolar bridge circuit.
  • a bit rate multitlier 28 is connected to the control electronics device 27, which in turn is controlled by the computer 24.
  • a frequency sequence is generated, controlled by the computer 24, which in turn serves to move the drive motor 15, as has been described previously in connection with the representation of the function of the control electronics device 27. Frequencies from 0 to 8000 Hz with a resolution of 2 Hz can be generated.
  • the computer must, in order to maintain the clock sequence for the drive motor 15, perform a constant action (every 1/100 sec.), I. H. a monoflop 29 must be triggered continuously by the computer 24. If this condition is not met, for example in the event of a possible failure of the computer 24, the frequency sequence is interrupted by the gate 30 and the drive motor 15 stops immediately. The operator or, if necessary, the person to be examined or treated can then open the clutch 17 by means of an emergency stop switch 171.
  • the control circuit associated with the clutch device 17 is shown in FIG. 6. It consists of a relay 172 with three separate make contacts, a transistor 173, an optocoupler 174 and, in addition to the opener 171, a further break contact 175 and a make contact 176.
  • the optocoupler 174 receives a signal from the computer 24 so that the transistor 173 becomes conductive . If the two normally closed contacts 171 (emergency stop opener) and the opener 175 are closed and the button 176 is pressed, the relay 172 picks up, since the circuit via the positive supply voltage, the button 176, the normally closed contacts 175 and 171 the coil of the relay 172 and the transistor 173 is closed to ground. The switches of the relay are subsequently closed and the relay 172 holds itself.
  • the button 176 can be released again.
  • the coupling device 17 can now on the at the output terminal Control circuit lying positive supply voltage, since it is a magnetic coupling to be closed.
  • the series circuit consisting of capacitor 177 and resistor 178, which is connected between the positive supply voltage and the output terminal of the control circuit leading to the coupling device 17, serves to smooth or suppress the circuit, as does the diode 179 between the output terminal of the control circuit leading to the coupling device 17 and the ground.
  • the computer 24 can monitor the current state of the coupling device 17 via a sensor line switched from the ground via a contact of the relay 172, for example when the clutch has been deactivated by pressing the opener 171 (emergency stop switch) or to check the deactivation of the Coupling device 17 via the optocoupler 174 and the transistor 173 by the computer 24 itself.
  • the coupling device 17 now remains deactivated until the closer 176 has been pressed, provided that the computer 27 switches the transistor 173 through via optocoupler 174.
  • a recording means 25 in the form of a printer, plotter or in the form of a coordinate recorder is also connected to the computer 24, and a display means 26 in the form of a display device.
  • one or more extremities 13 are inserted into the respective holding device 12 of the device or devices 10 and held there by means of the device 126.
  • the operator now uses an input keyboard assigned to the computer 24 in addition to the date of the time, the loading drawing of the person and the operator and a possible comment, the movement-specific parameters such as duration of movement, speed, acceleration, angular range and maximum torque to be observed as well as information on the formatting of the determined values in the display in the recording means 25 or in the display means 26.
  • the movement-specific parameters such as duration of movement, speed, acceleration, angular range and maximum torque to be observed as well as information on the formatting of the determined values in the display in the recording means 25 or in the display means 26.
  • the calibration curve of the device is recorded, ie the friction in the bearings of the holding device 12 is caused by the weight of the holding device 12 and the parameters causing measurement errors caused by its inertia are determined with the empty holding device 12, so that these can subsequently be taken into account in the representation of the movement parameters typical of the movement of the holding device 12 with an inserted extremity 13 by minimizing them.
  • the coupling device 17 is activated and the holding device 12 is positioned, for example, at "measuring range at the beginning of stretching".
  • the "stretching" measurement follows. This can be followed, for example, by positioning at "measurement range beginning diffraction” and subsequently the measurement "diffraction”.
  • the clutch is then deactivated.
  • the measured value (s) determined appears, for example in the form of a diagram shown on a plotter. This process sequence, which is typical for a diagnostic case, can then be repeated as often as desired with variation of individual movement parameters and thus allows an objective and quantitative determination of the degree of functionality of the musculoskeletal system of a person that is reproduced as often as desired.
  • the parameters are entered into the computer 24 in the same way and, once this has been completed, the device executes the movement sequences corresponding to the commands entered with the extremity 13 inserted in the holding device 12.
  • the movement sequence for therapeutic or training purposes it is possible for the movement sequence for therapeutic or training purposes to be carried out on the basis of a certain predetermined program, but it is also possible for the operator to start the movement cycles to be subsequently automatically carried out by the device 10 by first moving the holding device 12 in Specifies in real time and the computer analyzes and stores the movement of the holding device guided by the operator in relation to acceleration and speed, so that the device 10 can independently carry out the movement during therapy on the basis of these values.
  • the computer 24 constantly monitors the maximum torque of the holding device 12 set by the operator, its angular position, the triggering of an emergency situation by pressing one of the two openers 171 and 174 and the triggering of an emergency situation by input any buttons on the terminal.
  • the computer 24 calculates the maximum occurring torque for diffraction and extension, the torque work for diffraction and extension, the hysteresis (work diffraction - work extension) and the power for diffraction and extension. These values are preferably displayed in plain text on a recording medium 25, for example a plotter. Also shown on the recording medium 25 in graphical form are angle-time diagrams for diffraction and stretching and a Fourier spectrum for diffraction and stretching. The Fourier spectrum shown provides information about the frequency components that occur during changes in the angle of the holding device 12 during the measurement, i. H. the superimposed measurement value fluctuations, which are dependent on the angle of rotation and are dependent on the statistical or dynamic operation, and which exist relative to the respective or current measurement send, can preferably be evaluated in the sense of a Fourier analysis.

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Abstract

Die Ermittlung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen nach objektiven Kriterien und die quantitative Erfassung des Grades der Funktionsfähigkeit ist bisher nur durch mittlebare Untersuchungsmethoden möglich gewesen, die zudem bei bestimmten Arten von Funktionsstörungen keine Aussage zuließen. Die Erfindung schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, mit denen es möglich ist, für diagnostische Zwecke objektive und qualitative Bewegungsparameter einer menschlichen Extremität zu ermitteln und sie ebenfalls für physikalisch therapeutische Zwecke einzusetzen. Dazu wird die Extremität zunächst in einer ihrer Anatomie entsprechend ausgebildeten gelenkigen Haltevorrichtung (12) angeordnet, die nachfolgend unter dem Einfluß eines die Haltevorrichtung (12) von außen beaufschlagenden Drehmoments entweder in Richtung oder entgegen der Richtung des vom Bewegungsapparat der Extremität ausgeübten Drehmoments verdreht wird. Die Haltevorrichtung (12) der Vorrichtung (10) wird durch einen Antriebsmotor (15) um eine der in der Haltevorrichtung (12) aufgenommenen Gelenkachse einer Extremität (13) entsprechenden Achse (14) gedreht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen, insbesondere seiner Extremitäten, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
  • Die Ermittlung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen nach objektiven Kriterien und die quantitative Erfassung des Grades der Funktionsfähigkeit,sowohl beim kranken Menschen als auch beim gesunden,ist ein bis zum heutigen Tage ungelöstes Problem geblieben. Zwar ist durch die Elektromyographie eine Untersuchungsmethode geschaffen worden, die mittelbar einen Schluß auf die Funktionsfähigkeit bzw. Beweglichkeit von Gliedmaßen zuläßt,sie erlaubt jedoch bei bestimmten Arten von Funktionsstörungen von Gliedmaßen keine Aussage über den Grad des Defektes.
  • Darüberhinaus ist ebenfalls die Verbesserung der Funktionsfähigkeit eines als defekt erkannten Bewegungsapparates unter Festlegung quantitativer Bewegungsparameter ebenfalls ein bis heute ungelöstes Problem. Ein physikalisches Training beispielsweise erkrankter Gliedmaßen wird bis zum heutigen Tage durch ausgebildete Therapeuten ausgeführt, jedoch weist das eben durch einen Menschen ausgeführte Training der Gliedmaßen den Nachteil auf, daß die Bewegungstherapie trotz Ge- übtheit.und Mühe des Therapeuten niemals unter beliebig oft nach Art und Größe reproduzierbaren Bewegungskriterien vonstatten gehen kann. Schließlich erfordern therapeutische Bewegungsabläufe zur Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Gliedmaßen vom Therapeuten einen über längere Zeit zu erbringenden erheblichen Kraftaufwand, so daß auch aus diesem Grunde der Zeitdauer einer Therapie natürliche im Menschen liegende Grenzen gesetzt sind.
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen es möglich ist, für diagnostische und Testzwecke die Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen sowohl kranker als auch gesunder Menschen anhand objektiver und qualitativer Bewegungsparameter zu ermitteln und sie ebenfalls für therapeutische Zwecke einsetzen zu können, so daß auch Bewegungsabläufe über langandauernde Zeiträume hinweg frei von therapeutischem Personal unter Beachtung beliebig reproduzierbarer qualitativer und quantitativer Betriebsparameter vonstatten gehen können.
  • Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß bei der Ausführung des Verfahrens die Extremität zunächst in einer ihrer Anatomie entsprechend ausgebildeten gelenkigen Haltevorrichtung angeordnet wird, die nachfolgend unter dem Einfluß eines die Haltevorrichtung von außen beaufschlagenden Drehmoments entweder in Richtung oder entgegen der Richtung des vom Bewegungsapparat der Extremität ausgeübten Drehmoments verdreht wird.
  • Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das die Haltevorrichtung mit der darin angeordneten menschlichen Extremität von außen beaufschlagende Drehmoment zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken in Bezug auf seine Größe variabel einstellbar ist und somit die Extremität aktiv verdrehen kann, so daß diese alle gewünschten Dreh- bzw. Bewegungsgrade durchlaufen kann, wozu ein anderes bekanntes Verfahren (DE-OS 29 12 981) nicht in der Lage ist, da dort die zu untersuchenden Extremitäten lediglich feste Blattfedereinrichtungen zur Ermittlung bestimmter Bewegunnsgrößen der Extremität verbiegen und der Verbiegungsgrad entsprechend gemessen und angezeigt wird.
  • Gemäß einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung werden die von der Extremität auf die Haltevorrichtung ausgeübten Kraft-und Drehmomentparameter und der Grad der Verdrehung erfaßt und sichtbar gemacht, so daß die das Verfahren überwachende Bedienungsperson sich sofort einen Oberblick Uber die momentane Funktionsfähigkeit der untersuchten Extremität machen kann.
  • Vorteilhafterweise kann das von außen die Haltevorrichtung beaufschlagende Drehmoment derart eingestellt werden, daß der Drehwinkel der die Extremität aufnehmenden Haltevorrichtung von der Extremität noch bei entspannter Extremitätenmuskulatur veränderbar ist. Durch diese Maßnahme kann sowohl eine "passive" Messung erfolgen, falls der Gelenkdrehwinkel bei in einem der zu untersuchenden Person möglichen Grade entspannter Muskulatur verkürzt oder verlängert wird, als auch eine "aktive" Messung, bei der die zu untersuchende Person durch willkürliche Muskelinnervation ein Drehmoment entweder in Richtung der Drehrichtung der Haltevorrichtung (konzentrische Messung), oder in entgegengesetzter Richtung (exzentrische Messung) ausübt.
  • Zu diesem Zweck muß das die Haltevorrichtung von außen beaufschlagende Drehmoment in seiner Größe definiert einstellbar sein. Vorzugsweise ist deshalb ebenfalls die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Haltevorrichtung um ihr Gelenk gedreht wird, definiert einstellbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Winkelgeschwindigkeit bei beliebigem Betrag und beliebiger Richtung konstant eingestellt, da-die Bewegung der Extremität bei der Diagnose kein konstantes Drehmoment voraussetzt, sondern der Extremität vielmehr eine konstante Geschwindigkeit auferzwungen werden soll. Der Vorteil ist, daß die Geschwindigkeit der Extremität sich auch bei maximalem Krafteinsatz durch die zu untersuchende Person nicht ändern kann. Weitere Vorteile sind schließlich, daß die Messung vollständig reproduzierbar wiederholt werden kann und somit keine durch Mässenträgkeit ]und Dämpfung verursachten Einflüsse auf die Messung Einfluß nehmen. Darüberhinaus hat das so ausgeführte Verfahren den Vorteil, daß auf die zu untersuchende Person während des Verfahrensverlaufes kein negativer und subjektiver Einfluß ausgeht, da die Geschwindigkeit konstant bleibt, unabhängig davon, ob diese ihre Extremität entgegen der Bewegungsrichtung der Haltevorrichtung hält, oder ob sie ihre Extremität entspannt.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist die Winkelgeschwindigkeit beim Durchlaufen einer Bewegung der Haltevorrichtung mit darin aufgenommener Extremität nicht konstant. Durch die Veränderung der Winkelgeschwindigkeit, die sowohl von der das Verfahren überwachenden Bedienungsperson als auch durch vorgegebene Steuerprogrammschritte bewirkt werden kann, können bestimmte Effekte besonderer Art, beispielsweise ein geschwindigkeitsabhängiges Zittern der Muskeln, erfaßt werden.
  • Bei Anwendung des Verfahrens zu therapeutischen Zwecken kann ebenfalls je nach Art der Therapie oder einzelner Therapieschritte die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung der Haltevorrichtung konstant oder nichtkonstant gewählt werden.
  • Bestimmte Verfahrensabläufe der Bewegung der Haltevorrichtung für therapeutische Zwecke fordern während des Ablaufes eines Bewegungszyklusi; eine vielfältige Parameteränderung, deren gesonderte Eingabe durch die das Verfahren überwachende Bedienungsperson nur sehr mühsam zu vollziehen ist. Deshalb kann vorteilhafterweise die Haltevorrichtung vor der Verdrehung mit der darin angeordneten Extremität von der Bedienungsperson in einem gewünschten Bewegungszyklus bewegt werden, wobei dessen Bewegungsparameter beim Durchlaufen des Bewegungszyklus erfaßt werden, so daß die Haltevorrichtung eine dieser Bewegung entsprechende Bewegung nachfolgend anhand dieser erfaßten Bewegungsparameter selbständig ausführen kann. Der durch die Bedienungsperson ausgeführte Bewegungszyklus wird also vor der nachfolgenden selbständigen Bewegung zuvor in Bezug auf seine Parameter wie die Beschleunigung und die Geschwindigkeit analysiert. Das Verfahren wird dann nachfolgend zum Zwecke der Therapie, aber nicht ausschließlich dafür, selbständig und beliebig oft ausgeführt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe weist eine der Aufnahme einer Extremität dienenden Haltevorrichtung auf, die durch einen Antriebsmotor um eine der in der Haltevorrichtung aufgenommenen Gelenkachse einer Extremität entsprechenden Achse drehbar ist. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt einerseits darin, daß sie gerade für die angestrebte Dauereinsatzfähigkeit geeignet ist und zwar durch ihren robusten Aufbau, andererseits jedoch, da mit Ihr insbesondere der menschliche Bewegungsapparat untersucht bzw. trainiert werden soll, aus psychologischen Gründen unauffällig gestaltet ist.
  • Von Vorteil daruberhinaus ist, daß die Haltevorrichtung selbst bei Aufnahme so unterschiedlicher Extremitäten wie Arme und Beine grundsätzlich den gleichen Aufbau hat, was wegen der Niedrighaltung der Kosten für Herstellung, Ersatzteillagerhaltung und Wartung erhebliche Vorteile hat. DarUberhinaus ist auch die Steuerung des Antriebes der Vorrichtung beim Einsatz beispielsweise zur Bewegung des Beines eines Menschen und zur Bewegung eines Armes,grundsätzlich-die gleiche, so daß auch hier keine zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen nötig sind.
  • Vorzugsweise ist der Antriebsmotor in Form eines Schrittmotors ausgebildet, der über ein Getriebe mit der Achse der-Haltevorrichtung verbunden ist. Das Vorsehen eines Schrittmotors als Antriebsmotor der Vorrichtung hat den Vorteil, daß bei einem Ausfall der elektronischen Steuereinrichtungen kein Hochlaufen des Antriebsmotors erfolgen kann, wie dies beispielsweise bei einer Regelung in Verbindung mit einem Gleichstrommotor geschehen könnte, mit den sich daraus ergebenden nachteiligen Folgen für die zu untersuchende Person und die Vorrichtung selbst. Bei Oberlast des Schrittmotors bleibt dieser einfach stehen. Vorzugsweise ist zwischen dem Getriebe und der Achse der Haltevorrichtung eine Kupplungseinrichtung angeordnet, die den Antrieb der Haltevorrichtung durch den Schrittmotor unterbricht, und zwar einmal durch eine Steuereinrichtung oder einen Rechner, wenn beispielsweise ein von einer Bedienungsperson eingegebenes maximales Drehmoment überschritten wird, und wenn durch die Bedienungsperson oder die zu untersuchende Person eine Unterbrechung erfolgt, beispielsweise in einer Gefahrensituation, und bei mechanischem Ausrasten der Kupplung bei Oberlast, beispielsweisenbei Oberschreiten eines bestimmten vorgegebenen Drehmoments der Kupplung aufgrund ihrer Bauform.
  • Obwohl grundsätzlich die Achse des Antriebsmotors mit oder ohne Getriebe direkt mit der Achse der Haltevorrichtung verbunden sein kann, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Achse der Haltevorrichtung über eine Zahnradanordnung mit der Antriebsachse verbunden, wobei die Zahnräder selbst vorzugsweise über einen Zahnriemen miteinander verbunden sind. Eine derartige Ausbildung der Vorrichtung ermöglicht auf einfache Weise über das Obersetzungsverhältnis Einfluß auf die nötige Motorleistung zu nehmen und gestattet es, den Antriebsmotor unterhalb der Achse bzw. unterhalb der Haltevorrichtung insgesamt anzubringen, so daß der eigentliche Antrieb der Vorrichtung für die zu untersuchende Person nicht sichtbar angeordnet werden kann, was aus psychologischen Gründen besonders vorteilhaft ist. Schließlich wird damit auch vermieden, daß der Antriebsmotor hinderlich in den Bereich der Bedienungsperson bzw. in den der zu untersuchenden Person hineinragt.
  • Vorzugsweise ist die Antriebsachse mit einer Meßwinkelauf- ! nahmeeinrichtung.sowie einer Einrichtung zur Aufnahme des Drehmoments versehen. Die gesonderte Meßwinkelaufnehmeeinrichtung gestattet die Feststellung selbst kleinster Winkeländerungen, beispielsweise bis zu einer Winkelauflösung von 2 Zehntel Grad und darunter. Die Einrichtung zur Aufnahme des Drehmoments und dessen Darstellung in Abhängigkeit vom Drehwinkel erlaubt eine schnelle Evaluation des Zustandes der zu untersuchenden Person und dient ebenfalls der Erfassung des Drehmoments für gesonderte theoretische Betrachtungen, wenn beispielsweise durch Integration die Muskelverspannarbeit bzw. Leistung berechnet werden soll. Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung einen mit ihr verbundenen Rechner, der die Bewegung der Haltevorrichtung über den Antriebsmotor in Abhängigkeit programmierbarer Bewegungs- und Drehmomentparameter steuert. Der Rechner, der den elektrischen Antrieb der Vorrichtung und die Auswertung der Meßgrößen in Abhängigkeit von sonstigen Parametern übernimmt und die Aufgabe der für die Bedienungsperson entsprechend aufbereiteten Daten übernimmt, kann in Form eines Mikroprozessors aber auch in Form eines beliebigen anderen Rechners ausgebildet sein. Insbesondere dann, wenn mehrere der Vorrichtungen zu einer Diagnostik-und Therapieeinheit zusammengefaßt sind, beispielsweise zur gleichzeitigen Bewegung der Beine und Arme, kann die Steuerung auch durch größere Prozeßrechner erfolgen, die ihrerseits selbst wiederum mehrere dieser Einheiten gleichzeitig steuern und überwachen können.
  • Mit der Vorrichtung werden vorzugsweise die bei der Bewegung der Haltevorrichtung um ihre Achse durch Reibung, Schwerkraft und Trägheit durch sie selbst verursachten Kräfte erfaßt und nachfolgend zur Darstellung der für die Bewegung der Haltevorrichtung typischen tatsächlichen Bewegungsparameter einer Extremität minimalisiert. Vorzugsweise erfolgt die Erfassung dieser Parameter vor der Untersuchung einer Person bzw. bevor eine Therapie mit ihr ausgeführt wird, indem die Parameter mit einer leeren Haltevorrichtung bei einem ersten Eichlauf aufgenommen werden. Die ermittelten Eichparameter werden zur Korrektur der nachfolgend bei einer Diagnose ermittelten Meßwerte herangezogen, so daß die tatsächlichen Bewegungsparameter zur Beurteilung und zur datenmäßigen Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen.
  • Zur Diagnose als auch zur objektiven Beurteilung eines Therapieerfolges werden die bei der Vorrichtung auftretenden Bewegungsparameter, wie das Drehmoment der Haltevorrichtung als Funktion ihres Verdrehungswinkels, der zeitabhängige Verdrehungswinkel als Funktion eines Drehimpulses sowie die Verdrehungsarbeit und Leistung ermittelt und mit Aufzeichnungsmitteln aufgezeichnet, so daß die Bedienungsperson sofort einen Oberblick über die therapeutische Wirksamkeit der Bewegungsmaßnahme hat. Das gleiche gilt für den Fall der Diagnostik.
  • Auch kann sich die Bedienungsperson ebenfalls sehr schnell Informationen. darüher verschaffen, ob eine medikamentöse Behandlung der behandelten Person einen sichtbaren Niederschlag in der Beweglichkeit der Extremität gehabt hat. Die Ermittlung und Aufzeichnung der Bewegungsparameter der Haltevorrichtung mit darin angeordneter Extremität erfolgt vorzugsweise für jede Drehrichtung gesondert, so daß die Bedienungsperson sich noch schneller und eingehender Über die Beweglichkeit der zu untersuchenden Extremität informiert wird. Als Aufzeichnungsmittel eignet sich insbesondere ein Koordinatenschreiber aber auch ein Plotter oder dergleichen.
  • Schließlich ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung vorteilhaft, wenn die ermittelten Bewegungsparmeter durch Anzeigemittel, beispielsweise in Form von Bewegungsverläufen auf einem Bildschirm und/oder auf gesonderten digitalen Anzeigeeinrichtungen in Form ihrer exakten Werte angezeigt werden.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:
    • Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Extremität in Form eines menschlichen Armes,
    • Fig. 2 in perspektivischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Gestell mit zwei Vorrichtungen zur Aufnahme menschlicher Arme und einer Vorrichtung zur Aufnahme eines menschlichen Beines unter Weglassung einer Ruhefläche für den Menschen,
    • Fig. 3 eine Draufsicht auf das in Fig. 2 dargestellte Gestell mit umrißartig dargestellten Menschen unterschiedlicher körperlicher Größe mit teilweise in der Haltevorrichtung angeordneten Extremitäten,
    • Fig. 4 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Darstellung der Steuerungsfunktionszusammenhänge,
    • Fig. 5 ein Blockschaltbild der Ansteuerungselektronikeinheit und
    • Fig. 6 ein Schaltbild der Steuerschaltung der Kupplungseinrichtung.
  • Der mechanische Teil der Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einer Haltevorrichtung 12, die der Aufnahme einer Extremität 13 dient. Die Haltevorrichtung 12 weist eine geeignet ausgebildet Achse 14 auf, um die diese schwenkbar ist. Die Haltevorrichtung 12 umfaßt zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Stege 120, die über einen u-förmig ausgebildeten Quersteg 121 miteinander auf der einen Seite verbunden sind. Durch die Schenkel des u-förmig ausgebildeten Querstegs 121 geht die Achse 14 der Haltevorrichtung 12 hindurch. Die freien Enden der Stege 120 weisen Schlitze 122 auf, in denen ein Handgriff 123 verschiebbar und durch Feststellmittel 124 feststellbar angeordnet ist. Durch eine Abschlußplatte 125 wird die Haltevorrichtung 12 im wesentlichen parallel zu ihrer Achse 14 an ihrem freien Ende abgeschlossen. Zwischen Quersteg 121 und dem zur Achse 14 weisenden Ende der Schlitze 122 ist eine Einrichtung 126 zum Festhalten der Extremität 13 angeordnet. Die Einrichtung 126 ist entsprechend der Größe und Art der Extremität 13 ausgebildet, die in ihr aufgenommen werden soll, beispielsweise in Form eines Armes oder eines Beines. Lagereinrichtungen 127 zu beiden Seiten der verschwenkbaren Querstrebe der Haltevorrichtung 12 sind auf einer Unterlage, beispielsweise in Form eines Gestells 11, geeignet befestigt.
  • Unterhalb der Achse 14 ist im wesentlichen parallel zu dieser Achse ein Antriebsmotor 15 angeordnet, der mit einem Getriebe 16,einer Kupplungseinrichtung 17 und einem Zahnrad 19 versehen ist. Ober einen Zahnriemen 21 treibt der Antriebsmotor 15 ein Zahnrad 18 an, das auf der Achse 14 der Haltevorrichtung 12 angeordnet ist. Durch diese Anordnung der durch den Antriebsmotor 15, das Getriebe 16 und die Kupplungseinrichtung 17 und das Zahnrad 19 hindurchgehenden Antriebsachse 20 im wesentlichen unterhalb der Achse 14 ist es möglich, das liegeartige Gestell 11 frei von wesentlichen Teilen der Vorrichtung 10 zu halten, so daß nachteilige psychologische Wirkungen auf die Testperson bzw. den:Patienten nicht befürchtet zu werden brauchen.
  • Auf der Antriebsachse 20 ist ebenfalls auf geeignete Weise eine Meßwinkelaufnehmeeinrichtung 22 in Form eines Winkeldekoders angeordnet, der elektrische Impulse liefert, die von der nachfolgend noch beschriebenen elektronischen Steuerung erfaßt und ausgewertet werden. Die zwei-kanaligen Impulse (2 Kanal Vor-Rückwärtserkennung + 1 Indeximpuls) werden je nach Phasenlage zueinander vor- und rückwärts gezählt, so daß dadurch ein absoluter Zählerstand in einem noch später beschriebenen Rechner 24 existiert.Der Winkeldekoder besteht aus einer "500 - Loch - Scheibe", wobei durch eine Vierfachauswertung somit 2000 Stellungen pro Umdrehungen unterschieden werden können, woraus eine Auflösung von 0,18 ° resultiert.
  • Zwischen Zahnrad 19 und Kupplungseinrichtung 17 ist eine Einrichtung 23 zur Aufnahme des Drehmoments angeordnet. Die Einrichtung 23 ist in Form eines Dehnungs-Meßstreifenaufnehmers ausgebildet. Bei Verdrehung der Antriebsachse 20 beim Antrieb der Haltevorrichtung 12 erfolgt bei einem entgegen der Drehung des Antriebsmotors gerichteten Drehmoment eine Verdrehung der Einrichtung 23 relativ zur Antriebsachse 20 des Antriebsmotors 15, in dem ein Drehmomentaufnehmer, der hier in Form eines Biegebalkenaufnehmers ausgebildet ist, der Teil der Einrichtung 23 ist, unter dem Einfluß der durch das Gegendrehmoment auf ihn ausgeübten Kraft verbogen wird. Das Verbiegen wird durch die Dehnungsmeßstreifen in eine Widerstandsänderung umgesetzt und diese wiederum in einer Brückenschaltung in eine Spannungsänderung, wobei die durch das Gegendrehmoment ausgeübte Kraft direkt proportional der Spannungsänderung ist.
  • Die Vorrichtung 10 umfaßt eine Mehrzahl von Einrichtungen, die der Steuerung der Haltevorrichtung 12 dienen, vgl. Fig. 4. Die Vorrichtung 10 weist einen Rechner 24 auf, der sowohl in Form eines nur diese eine Vorrichtung steuernden Mikroprozessors als auch in Form eines handelsüblichen Prozeßrechners ausgebildet sein kann. Der Rechner 24 ist über eine Ansteuerelektronik 27 mit dem Antriebsmotor verbunden. Ebenfalls mit dem Rechner verbunden ist die Kupplungseinrichtung 17, die ebenfalls von außen durch die Bedienungsperson oder die zu untersuchende Person deaktivierbar ist, was symbolisch durch die Leitung 170 dargestellt ist und nachfolgend noch beschrieben wird. Die zuvor schon beschriebene Einrichtung 23 zur Aufnahme des Drehmoments ist über einen Verstärker 231, ein Tiefpaßfilter 232, einen Verstärker 233 und einen Analog-Digital-Wandler 234 mit dem Rechner 24 verbunden. Das von der Einrichtung 23 kommende Signal wird im Verstärker 231 verstärkt und in dem nachfolgend angeordneten Tiefpaßfilter 232 geglättet. Die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters 232 verläuft direkt proportional der Geschwindigkeit des Antriebsmotors 15. Dadurch werden höherfrequente Anteile, die keine Aussagen zur gewünschten Messung der Bewegungsparameter liefern, beseitigt. Die Frequenz dieser Störungen, hervorgerufen durch mechanische Resonanzen und Schwingungen der Vorrichtung 10 oder gegebenenfalls des gesamten Gestells 11, sind geschwindigkeitsabhängig, d. h. durch die Verknüpfung der Eckfrequenz des Tiefpaßfilters 232 mit der Umdrehungsgeschwindigkeit des Antriebsmotors 15 erreicht man automatische die fehlerfreien Meßwertaufnahmen im richtigen Frequenzbereich. Nachfolgend wird das Signal durch den Verstärker 233 zur Pufferung des diesem nachfolgenden Analog-Digital-Wandlers 234 gepuffert. Der Erfassungs- bzw. Meßbereich der Einrichtung 23 zur Aufnahme des Drehmoments beträgt im vorliegenden Fall t 120 Nm. Dieser Meßbereich wird durch den im vorliegenden Fall beschriebenen 12 bit Analog-Digital-Wandler 234 so digitalisiert, daß die kleinste Auflösung 0,06 Nm beträgt.
  • Schließlich ist die zuvor schon erwähnte Meßwinkelaufnehmeeinrichtung 22, die ebenfalls digitale Signale lieferte mit dem Rechner 24 verbunden. Dieser Winkeldecoder 22 dient eigentlich nur zur Kontrolle der Stellung der Extremität. Außerdem kann die Stellung der Extremität bei ausgekuppeltem Antrieb gemessen werden (z. B.: notwendig bei Aufnahme der Winkelstellung für Therapiebewegung). Bei der eigentlichen Messung (=Diagnose) wird die Winkelstellung durch ein Mitzählen der Motorimpulse gewonnen. (Bei 120° Bewegung werden an die Motorsteuerung ca. 16.000 Impulse gegeben - d. h. die maximale Auflösung beträgt: 120°/16000= 0,0075°). Dies ist ein weiterer Vorteil der Verwendung des Schrittmotors 15.
  • Die Ansteuerelektronikeinrichtung 27 setzt eine ankommende Impulsfolge in die notwendigen Stromzustände der einzelnen 4 Phasen des Schrittmotors 15 um. Diese einzelnen Zustände sind einem Ringzähler zugeordnet, der bei jedem Impuls (abhängig vom Eingang vorwärts/rückwärts) um eine Stellung weiterschaltet. Der Strom einer einzelnen Phase wird von einer gechoppten bipolaren Brückschaltung erzeugt.
  • Mit der Ansteuerungselektronikeinrichtung 27 ist ein Bit-Rate-Multitlier 28 verbunden, der wiederum vom Rechner 24 gesteuert wird. Im Bit-Rate-Multitlier 28 wird vom Rechner 24 gesteuert eine Frequenzfolge erzeugt, die wiederum zur Bewegung des Antriebsmotors 15 dient, wie es zuvor im Zusammenhang mit der Darstellung der Funktion der Ansteuerungselektronikeinrichtung 27 beschrieben worden ist. Es können Frequenzen von 0 bis 8000 Hz mit einer Auflösung von 2 Hz erzeugt werden.
  • Der Rechner muß, um die Takt folge für den Antriebsmotor 15 aufrecht zu erhalten, eine ständige Aktion (jede 1/100 sek.) durchführen, d. h. ein Monoflop 29 muß ständig vom Rechner 24 getriggert werden. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, beispielsweise bei evtl. Ausfall des Rechners 24, wird die Frequenzfolge durch das Gatter 30 unterbrochen und der Antriebsmotor 15 stoppt sofort. Die Bedienungsperson oder ggf.. die zu untersuchende bzw. zu behandelnde Person kann dann die Kupplung 17 durch einen Not-Aus-Schalter 171 öffnen.
  • Die der Kupplungseinrichtung 17 zugeordnete Steuerschaltung ist in Fig. 6 dargestellt. Sie besteht aus einem Relais 172 mit drei getrennten Schließkontakten,einem Transistor 173, einem Optokoppler 174 und neben dem öffner 171 aus einem weiteren Öffner 175 sowie einem Schließer 176. Vom Rechner 24 erhält der Optokoppler 174 ein Signal, so daß der Transistor 173 leitend wird. Sind die beiden öffner 171 (Not-Aus-öffner) und der Uffner 175 geschlossen, und wird der Taster 176 gedrückt,so zieht das Relais 172 an, da der Stromkreis über die positive Versorgungsspannung, den Taster 176, die Öffner 175 und 171 über die Spule des Relais 172 und über den Transistor 173 zur Masse geschlossen ist. Die Schalter des Relais werden nachfolgend geschlossen und das Relais 172 hält sich selbst. Der Taster 176 kann wieder losgelassen werden. Die Kupplungseinrichtung 17 kann nun über die an der Ausgangsklemme der Steuerschaltung liegende positive Versorgungsspannung, da es sich um eine Magnetkupplung handelt, geschlossen werden. Die zwischen der positiven Versorgungsspannung und der zur Kupplungseinrichtung 17 führenden Ausgangsklemme der Steuerschaltung geschaltete Reihenschaltung aus Kondensator 177 und Widerstand 178 dient zur Glättung bzw. Entstörung der Schaltung, ebenso wie die Diode 179 zwischen der zur Kupplungseinrichtung 17 führenden Ausgangsklemme der Steuerschaltung und der Masse. Der Rechner 24 kann über eine von der Masse über einen Kontakt des Relais 172 geschalteten Fühlerleitung den momentanen Zustand der Kupplungseinrichtung 17 überwachen, beispielsweise wenn durch Drücken des öffners 171 (Not-Aus-Schalter) die Kupplung deaktiviert worden ist oder zur Überprüfung der Deaktivierung der Kupplungseinrichtung 17 über den Optokoppler 174 und den Transistor 173 durch den Rechner 24 selbst. Die Kupplungseinrichtung 17 bleibt nun solange deaktiviert, bis der Schließer 176 gedrückt worden ist, unter der Voraussetzung, daß der Rechner 27 über Optokoppler 174 den Transistor 173 leitend schaltet.
  • An den Rechner 24 ist noch ein Aufzeichnungsmittel 25 in Form eines Druckers, Plotters oder in Form eines Koordinatenschreibers angeschlossen, sowie ein Anzeigemittel 26 in Form eines Sichtgerätes.
  • Nach dem Betten einer Person auf einer Unterlage auf dem Gestell 11 wird eine oder werden mehrere Extremitäten 13 in die jeweilige Haltevorrichtung 12 der Vorrichtung bzw. Vorrichtungen 10 eingelegt und dort mittels der Einrichtung 126 festgehalten.
  • Von der Bedienungsperson werden nun über eine dem Rechner 24 zugeordnete Eingabetastatur neben dem Datum der Uhrzeit,der Bezeichnung der Person und der Bedienungsperson und einem evtl. Kommentar,die bewegungsspezifischen Parameter wie Bewegungsdauer, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkelbereich und maximal einzuhaltendes Drehmoment sowie Angaben zur Formatierung der ermittelten Werte bei der Darstellung im Aufzeichnungsmittel 25 bzw. im Anzeigemittel 26 eingegeben. Vor der eigentlichen Aufnahme der Extremität 13 in der Vorrichtung 10 erfolgt jedoch nach jedem Neu-Einschalten des Geräts, beispielsweise einmal am Tag, die Aufnahme einer Eichkurve der Vorrichtung, d. h. es werden die die Reibung in den Lagern der Haltevorrichtung 12, die durch das Gewicht der Haltevorrichtung 12 und die durch seine Trägheit verursachten Meßfehler verursachenden Parameter mit der leeren Haltevorrichtung 12 ermittelt, so daß diese nachfolgend bei der Darstellung der für die Bewegung der Haltevorrichtung 12 mit eingelegter Extremität 13 typischen Bewegungsparameter berücksichtigt werden können, indem sie minimalisiert werden.
  • Nach Eingabe der Parameter in den Rechner 24 wird die Kupplungseinrichtung 17 aktiviert und die Haltevorrichtung 12 wird beispielsweise auf "Meßbereich Anfang Streckung" positioniert. Nachfolgend erfolgt die Messung "Streckung". Daran anschließen kann beispielsweise ein Positionieren auf "Meßbereich Anfang Beugung" erfolgen und nachfolgend die Messung "Beugung". Anschließend wird die Kupplung deaktiviert. Nachfolgend erscheint beispielsweise der oder die ermittelten Meßwerte, beispielsweise in Form eines auf einem Plotter dargestellten Diagramms. Dieser für einen Diagnostikfall typische Verfahrensablauf kann anschließend beliebig oft unter Variation einzelner Bewegungsparameter wiederholt werden und erlaubt somit eine objektive und quantitative beliebig oft reproduzierbare Erfassung des Grades der Funktionsfähigkeit des jeweils untersuchten Bewegungsapparates eines Menschen.
  • Für therapeutische Zwecke vollzieht sich die Eingabe der Parameter in den Rechner 24 auf gleiche Weise und nachdem diese abgeschlossen ist, vollführt die Vorrichtung mit in der Haltevorrichtung 12 eingelegter Extremität 13 die den eingegebenen Befehlen entsprechenden Bewegungsabläufe. Zu diesem Zweck ist es möglich, daß der Bewegungsablauf für therapeutische oder Trainingszwecke anhand eines bestimmten vorgegebenen Programms durchgeführt wird, es ist jedoch auch mögl-ich, daß die Bedienungsperson die von der Vorrichtung 10 nachfolgend automatisch zu durchlaufenden Bewegungszyklen zunächst durch Bewegung der Haltevorrichtung 12 in Echtzeit vorgibt und der Rechner dabei die durch die Bedienungsperson geführte Bewegung der Haltevorrichtung in Bezug auf Beschleunigung und Geschwindigkeit analysiert und speichert, so daß die Vorrichtung 10 anhand dieser Werte die Bewegung bei der Therapie selbständig oft ausführen kann.
  • Schließlich besteht noch die Möglichkeit einer Verknüpfung von Therapie und Diagnose, indem beispielsweise zunächst die Parameter einer Person für diagnostische Zwecke gemessen werden, nachfolgend dann eine bestimmte Anzahl von Therapiebewegungen durchgeführt wird, und dann anschließendwiederum eine Messung der Person zu diagnostischen Zwecken erfolgt und schließlich"nachfolgend die Auswertung durch den Rechner 24. Darüberhinaus sind beliebige andere Kombinationen von Therapie-und Diagnoseschritten mit dem hier beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung 10 möglich, je nach der Art der Funktionsstörung des Bewegungsapparates. Sowohl beim Einsatz der Vorrichtung 10 für diagnostische Zwecke als auch zum Zwecke der Therapie wird vom Rechner 24 ständig das von der Bedienungsperson eingestellte maximale Drehmoment der Haltevorrichtung 12, seine Winkelstellung, das Auslösen einer Notsituation durch Drücken einer der beiden öffner 171 und 174 und das Auslösen einer Notsituation durch Eingabe beliebiger Tasten am Terminal überwacht.
  • Vom Rechner 24 wird nach der Ermittlung der entsprechenden Bewegungsparameter das maximal vorkommende Drehmoment für Beugung und Streckung, die Drehmomentarbeit für Beugung und Streckung, die Hysterese (Arbeit Beugung - Arbeit Streckung) und die Leistung für Beugung und Streckung berechnet. Diese Werte weren vorzugsweise im Klartext auf einem Aufzeichnungsmittel 25, beispielsweise einem Plotter dargestellt. Ebenfalls dargestellt werden auf dem Aufzeichnungsmittel 25 in grafischer Form Winkel-Zeit-Diagramm für Beugung und Strekkung und ein Fourier-Spektrum für Beugung und Streckung . Das dargestellte Fourier-Spektrum gibt eine Aussage über die Frequenzanteile, die bei Winkeländerungen der Haltevorrichtung 12 bei der Messung auftreten, d. h. die vom Verdrehungswinkel abhängigen und vom statistischen bzw. dynamischen Betrieb abhängigen überlagerten Meßwertschwankungen, die relativ zum jeweiligen bzw. momentanen Meßzustend existieren, können vorzugsweise im Sinne einer Fourier-Analyse ausgewertet werden.
    • B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
    • 10 Vorrichtung
    • 11 Gestell
    • 12 Haltevorrichtung
    • 120 Steg
    • 121 Quersteg
    • 122 Schlitz
    • 123 Handgriff
    • 124 Feststellmittel
    • 125 Platte
    • 126 Einrichtung zum Festhalten der Extremität
    • 14 Achse
    • 15 Antriebsmotor
    • 16 Getriebe
    • 17 Kupplungseinrichtung
    • 170 Leitung
    • 171 öffner
    • 172 Relais
    • 173 Transistor
    • 174 Optokoppler
    • 176 Schließer
    • 177 Kondensator
    • 178 Widerstand
    • 179 Diode
    • 18 Zahnrad
    • 19 Zahnrad
    • 20 Antriebsachse
    • 21 Zahnriemen
    • 22 Meßwinkelaufnehmeeinrichtung
    • 23 Einrichtung zur Aufnahme des Drehmoments
    • 231 Verstärker
    • 232 Tiefpaßfilter
    • 233 Verstärker
    • 234 Analog-Digital-Wandler
    • 24 Rechner
    • 25 Aufzeichnungsmittel
    • 26 Anzeigemittel
    • 27 Ansteuerelektronikeinrichtung
    • 28 Bit-Rate-Multitlier
    • 29 Monoflop
    • 30 Gatter

Claims (26)

1. Verfahren zur Ermittlung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen, insbesondere seiner Extremitäten, dadurch gekennzeichnet, daß die Extremität zunächst in einer ihrer Anatomie entsprechend ausgebildeten gelenkigen Haltevorrichtung angeordnet wird, die nachfolgend unter dem Einfluß eines die Haltevorrichtung von außen beaufschlagenden Drehmomentes entweder in Richtung oder entgegen der Richtung des vom Bewegungsapparat der Extremität ausgeübten Drehmomentes verdreht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Extremität auf die Haltevorrichtung ausgeübten Kraft- und Drehmomentparameter und der Grad der Verdrehung der Haltevorrichtung erfaßt und/oder sichtbar gemacht werden.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von außen die Haltevorrichtung beaufschlagende Drehmoment derart groß eingestellt wird, daß der Drehwinkel der die Extremität aufnehmenden Haltevorrichtung von der Extremität noch bei entspannter Extremitätenmuskulatur veränderbar ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Haltevorrichtung um ihr Gelenk gedreht wird, einstellbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit bei beliebigem Geschwindigkeitsbetrag und beliebiger Richtung konstant ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit bei Durchlaufen einer Bewegung der Haltevorrichtung nicht konstant ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung vor der Verdrehung mit der darin angeordneten Extremität vom Bediener in einem gewünschtenBewegungsprogram bewegt wird, wobei dessen Bewegungsparameter beim Durchlaufen des Bewegungszyklus erfaßt werden, so daß die Haltevorrichtung eine dem vorherigenBewegungbprogrammentsprechende Bewegung nachfolgend anhand dieser erfaßten Bewegungsparameter selbständig ausführen kann.
8. Vorrichtung zur Ermittlung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen, insbesondere seiner Extremitäten, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der Aufnahme der Extremität (13) dienende Haltevorrichtung (12), die durch einen Antriebsmotor (15) um eine der in der Haltevorrichtung (12) aufgenommenen Gelenkachse einer Extremität (13) entsprechenden Achse (14) drehbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (15) ein Schrittmotor ist, der über ein Getriebe (16) mit der Achse (14) der Haltevorrichtung (12) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Getriebe (16) und der Achse (14) der Haltevorrichtung (12) eine Kupplungseinrichtung (17) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung (17) bei einem frei wählbaren höchstzulässigen Drehmoment automatisch auslöst.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (14) der Haltevorrichtung (12) über eine Zahnradanordnung (18, 19) mit der Antriebsachse (20) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (18, 19) über einen Zahnriemen (21) miteinander verbunden sind.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsachse (20) mit einer Meßwinkelaufnehmereinrichtung (22) sowie einer Einrichtung (23) zur Aufnahme des Drehmomentes versehen ist.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel der Haltevorrichtung (12) über den Antriebsmotor (15) steuernde Taktimpulse erfaßt wird.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine den tatsächlichen Drehwinkel des Gelenks einer Extremität erfassende Winkelaufnehmereinrichtung unmittelbar auf der Extremität angebracht ist.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen mit ihr verbundenen Rechner (24) umfaßt, der die Bewegung der Haltevorrichtung (12) über den Antriebsmotor (15) in Abhängigkeit programmierbarer Bewegungs- und Drehmomentsparameter steuert.
18. Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bewegung der Haltevorrichtung (12) um ihre Achse (14) durch Reibung, Schwerkraft und Trägheit durch sie selbst verursachten Kräfte erfaßt und nachfolgend zur Darstellung der für die Bewegung der Haltevorrichtung (12) typischen tatsächlichen Bewegungsparameter einer Extremität (13) minimalisiert werden.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (12) vor der Aufnahme einer Extremität (13) einen Bewegungszyklus zur Ermittlung einer durch Reibung, Schwerkraft und Trägheit der Haltevorrichtung (12) bedingten Eichkurve durchläuft.
20. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Vorrichtung (10) ermittelten Bewegungsparameter wie das Drehmoment der Haltevorrichtung (12) als Funktion dieses Verdreungswinkels, der zeitabhängige Verdrehungswinkel als Funktion eines Drehimpulses sowie die Verdrehungsarbeit und Leistung ermittelt und mit Aufzeichnungsmitteln (25) aufgezeichnet werden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsparameter für jede Drehrichtung der Haltevorrichtung (10) gesondert ermittelt und aufgezeichnet werden.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet,daß die ermittelten Bewegungsparameter durch Anzeigemittel (26) dargestellt werden.
23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansrüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge eines Bewegungsablaufes kurzzeitige Schwankungen einzelner Meßparameter erfolgt und analysiert werden.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßparameter das Drehmoment erfaßt und nach dem Prinzip der Fourier-Analyse.analysiert wird.
25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die die Meßwerte beeinflußende Eigenmasse bzw. das Eigengewicht der bewegten Teile der Extremität bei der Ermittlung von deren Bewegungsparameter berücksichtigt wird.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenmasse des Gelenks mittels eines zeitlich sinusförmig ablaufenden Test-Schwingungsvorgangs des Gelenks ermittelt wird.
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